Machines op nanoschaal voorbereiden

Tandwieltreinen worden al eeuwen gebruikt om veranderingen in de draaisnelheid van het tandwiel om te zetten in veranderingen in de rotatiekracht. Auto’s, boormachines en eigenlijk alles met draaiende onderdelen gebruiken ze. Tandwielen op moleculaire schaal zijn een veel recentere uitvinding die licht of een chemische stimulus zou kunnen gebruiken om tandwielrotatie op gang te brengen. Onderzoekers van het Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan, in samenwerking met onderzoeksteams van de Universiteit Paul Sabatier, Frankrijk, rapporteren in een nieuwe studie gepubliceerd in Chemische wetenschap een middel om momentopnames te visualiseren van een ultrakleine tandwieltrein – een onderling verbonden ketting van tandwielen – aan het werk.

NAIST-projectleider Professor Gwénaël Rapenne heeft zijn carrière gewijd aan het fabriceren van mechanische apparaten op moleculaire schaal, zoals wielen en motoren. Onderzoekers hebben onlangs een tandrad ontworpen voor een moleculaire tandwieltrein, maar hebben momenteel geen middelen om de tandwielen in actie te visualiseren.

“De eenvoudigste manier om de beweging van moleculaire tandwielen te volgen, is door middel van statische scantunneling-microscopiebeelden. Voor deze doeleinden moet een van de tanden van de tandwielen sterisch of elektrochemisch verschillen van de andere tanden”, legt Rapenne uit.

De onderzoekers creëerden eerst een moleculair tandrad met vijf peddels, waarbij een peddel een paar koolstofatomen langer is dan de andere vier peddels. Echter, zoals ze vorig jaar toonden, verstoren verschillen in peddellengte de gecoördineerde beweging langs de tandwieloverbrenging. Verschillen in peddelelektrochemie zijn dus een veelbelovende ontwerpbenadering, maar synthetisch uitdagender.

“We gebruikten computationele studies om te voorspellen of elektronenonttrekkende eenheden of metaalchemie de elektronische eigenschappen van een peddel konden aanpassen, zonder de peddelgrootte te veranderen”, zegt Rapenne. Dergelijke op maat gemaakte eigenschappen zijn belangrijk omdat men ze als contrastverschillen kan waarnemen door gebruik te maken van scanning tunneling microscopie, en daardoor statische beeldvorming mogelijk maakt.

“Onze prototypes van pentaporfyrinische tandwielen bevatten één peddel met ofwel een cyaanfenylsubstituent of een zink-in plaats van nikkel-metaalcentrum”, legt Rapenne uit. “Verschillende spectroscopietechnieken bevestigden de architecturen van onze syntheses.”

Hoe kunnen onderzoekers deze tandwielen gebruiken? Stel je voor dat je een sterk gefocusseerde lichtstraal laat schijnen of een chemische stimulus toepast op een van de tandwielen om een ​​rotatie te starten. Door dit te doen, zou men een reeks tandwielen op een gecoördineerde manier kunnen draaien zoals bij een conventionele tandwieltrein, maar op een moleculaire schaal die bestaat in de ultieme miniaturisatie van apparaten. “We hebben nu de middelen om dergelijke rotaties te visualiseren”, merkt Rapenne op.

Door deze ontwikkeling te gebruiken om mechanica-onderzoeken met één molecuul uit te voeren, is Rapenne optimistisch dat de brede onderzoeksgemeenschap een krachtig nieuw ontwerp zal hebben voor geïntegreerde machines op nanoschaal. “We zijn er nog niet, maar werken samen om het zo snel mogelijk te laten gebeuren”, zegt hij.